一种用于铝及铝合金的球磨-压制-烧结工业化制细化剂的方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于铝及铝合金的球磨-压制-烧结工业化制细化剂的方法，包括球磨、压制、烧结的易于工业化生产细化剂的低成本工艺步骤。本发明细化剂不仅析出了分布均匀的、有效的异质形核核心TiB2和TiAl3两相,还形成了可以净化铝熔体的冰晶石(K3AlF6)组织。应用本发明细化剂对铝及铝合金进行晶粒细化后，纯铝的平均晶粒尺寸为250微米以下，能够有效提高铸造铝及铝合金的晶粒细化效果。
【专利说明】一种用于铝及铝合金的球磨-压制-烧结工业化制细化剂的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于铝及铝合金熔炼过程中需要加入的细化剂，属于金属材料粉末加工领域，更特别地说，是指一种应用于铝及铝合金中的高效细化剂，该高效细化剂采用了球磨-压制-烧结低成本的工艺组合加工制得。
【背景技术】
[0002]随着科技的进步，高铁、电子、信息、远洋、汽车、航空航天新材料等工业领域用铝量日益增加，铝合金的应用也越来越广泛，2010年，全球铝合金产量为4042万吨。因此，在当今世界，人均铝消耗量已经成为衡量一个国家国民经济综合实力、国防工业现代化和人民生活水平的重要指标之一。然而，纯铝的强度和硬度都低，从而限制了其应用范围，因此，需要采用合金化和晶粒细化等方法来提高纯铝及铝合金的强度和硬度。
[0003]目前，在铝加工工业中最常用的铝及铝合金晶粒细化剂是Al-T1-B中间合金，其对所有铝及铝合金铸锭组织具有显著的细化作用，可使铸锭、铸件组织均匀，减少偏析，提高塑性，防止裂纹、缩孔等缺陷；同时显著提高铸锭、铸件强度。对于需轧制、挤压、拉伸、锻造生产用的各种锭坯，板坯制品，可显著提高机械性能，改善表面处理的外观质量，提高材料的使用价值和成品率。
[0004]上世纪80年代末，美国的KBA公司研制出Al-T1-C中间合金。本世纪初，一些科研单位及企业陆续开始进行含稀土的晶粒细化剂产品的研发。这些都是只基于提高单一的晶粒细化功能进行的研发和改进。然而，随着整体加工技术的发展，以往由多个铝合金部件构成的飞行器部件，目前均由大块铝合金锭整体加工而成，这既降低能源、材料消耗，也提高了产品的安全可靠性。以国产大型客机、嫦娥工程等为代表的我国航空航天重大高新技术项目，大多采用这种整体加工技术。这就对大尺寸铝合金材料的冶金质量提出了高标准的要求，单一的细化功能细化剂产品已不能满足大型铸件产品，尤其是航空航天用大型铝合金铸件的性能改善的高标准要求。细化剂产品向具有净化、细化等多功能复合型的联合细化剂方向转变势在必行。
【发明内容】
[0005]为了提高铝及铝合金的晶粒细化，本发明采用球磨-压制-烧结低成本的工艺组合来制得高效的细化剂。本发明细化剂不仅析出了分布均匀的、有效的异质形核核心TiB2和TiAl3两相，还形成了可以净化铝熔体的冰晶石(K3AlF6)组织。应用本发明细化剂对铝及铝合金进行晶粒细化后，纯铝的平均晶粒尺寸为250微米以下，能够有效提高铸造铝及铝合金的晶粒细化效果。
[0006]本发明提出了一种用于铝及铝合金的球磨-压制-烧结工业化制细化剂的方法，包括下列步骤:
[0007]第一步:原料配制
[0008]将工业纯铝(Al)粉末、工业纯氟钛酸钾(K2TiF6)粉末和氟硼酸钾(KBF4)粉末按照一定质量比例混合，制成混合原料；
[0009]用量:100重量份的Al粉末中加入11.0?13.0的工业纯K2TiF6粉末、7.0?9.0的KBF4粉末。
[0010]第二步:球磨混合
[0011]将混合原料加入球磨容器中，选好球料比、装球容积比和球磨介质；然后设置球磨温度、转速、时间，在氩气气氛中进行球磨，得到球磨后混合粉；
[0012]在本发明中，球磨容器为不锈钢球磨罐。
[0013]在本发明中，球磨介质为不锈钢球,大球直径为1mm,小球直径为5mm。大球与小球之比(个数)为1:3?8。
[0014]在本发明中，球料比(重量份)为10:0.5?1.5。
[0015]在本发明中，球磨温度为15°C?35°C,球磨容器的转速为300?350rpm,转60min停lOmin，并调整转的方向，总共球磨时间为20?40小时。
[0016]第三步:压制
[0017]将球磨后混合粉装入模具中，在15°C?35°C、50MPa?10MPa压力下压制成型，得到细化剂成型体；
[0018]第四步:烧结
[0019]将细化剂成型体在真空度为1.0X KT3Pa?3.0X 10_3Pa，烧结温度为550°C?600°C的条件下进行烧结30?150分钟，制得细化剂。
[0020]本发明细化剂的制备方法主要考虑了工业化生产下的条件限制，与现有技术的区别在于，选原料简单、制备过程易操控，压制-烧结在工厂的实际环境下进行加工成型，简化了传统对压制-烧结的工艺过程；采用工业级能够降低原料成本。经本发明球磨-压制-烧结工业化制得的细化剂在铝及铝合金熔炼过程中加入，起到了细化铝及铝合金晶粒的效果，纯铝的平均晶粒尺寸为250微米以下。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本发明制备细化剂的工艺流程框图。
[0022]图2A是本发明实施例1制得的细化剂宏观形貌照片。
[0023]图2B是本发明实施例1制得的细化剂微观组织中含有K3AlF6的SEM图片。
[0024]图2C是本发明实施例1制得的细化剂微观组织中含有TiAl3和TiB2的图片。
[0025]图2D是本发明实施例1制得的细化剂的X衍射图。
[0026]图3是将本发明实施例1制得的细化剂加入纯铝中熔炼后的晶粒照片。
[0027]图4是将本发明实施例2制得的细化剂加入铝合金中熔炼后的晶粒照片。
【具体实施方式】
[0028]下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0029]参见图1所示，本发明提出了一种用于铝及铝合金的球磨-压制-烧结工业化制细化剂的方法，包括下列步骤:
[0030]第一步:原料配制
[0031]将工业纯铝(Al)粉末、工业纯氟钛酸钾(K2TiF6)粉末和氟硼酸钾(KBF4)粉末按照一定质量比例混合，制成混合原料；
[0032]用量:100重量份的Al粉末中加入11.0?13.0的工业纯K2TiF6粉末、7.0?9.0的KBF4粉末。
[0033]第二步:球磨混合
[0034]将混合原料加入球磨容器中，选好球料比、装球容积比和球磨介质；然后设置球磨温度、转速、时间，在氩气气氛中进行球磨，得到球磨后混合粉；
[0035]在本发明中，球磨容器为不锈钢球磨罐。
[0036]在本发明中,球磨介质为不锈钢球,大球直径为1mm,小球直径为5mm。大球与小球之比(个数)为1:3?8。
[0037]在本发明中，球料比(重量份)为10:0.5?1.5。
[0038]在本发明中，球磨温度为15°C?35°C,球磨容器的转速为300?350rpm,转60min停lOmin，并调整转的方向，总共球磨时间为20?40小时。
[0039]第三步:压制
[0040]将球磨后混合粉装入模具中，在15°C?35°C、50MPa?10MPa压力下压制成型，得到细化剂成型体；
[0041]在本发明中，压制是在工厂的环境温度下进行的，将装有球磨后混合粉的模具直接放在加压机操作台上，压成饼形(或者其他易于放入铝及铝合金熔炼用的形状)即可。改变了传统金属粉末在温压下才能进行压制(参考2008年12月第I版，李元元著的《金属粉末温压成形原理与技术》，第2页公开内容)、以及后续的烧结处理。简化了压制工艺，降低了细化剂的生产成本，且操作方便，易于控制。
[0042]第四步:烧结
[0043]将细化剂成型体在真空度为1.0X KT3Pa?3.0X 10_3Pa，烧结温度为550°C?600°C的条件下进行烧结30?150分钟，制得细化剂。
[0044]实施例1
[0045](一 )制细化剂
[0046]第一步:将100重量份的工业纯Al粉末、11.8重量份的工业纯K2TiF6粉末和8重量份的KBF4的粉末混合均匀，得到混合原料；
[0047]所有粉末的平均粒度为小于300目。
[0048]第二步:在球磨设备上，将混合原料加入不锈钢球磨罐中，在氩气气氛中进行球磨，得到球磨后混合粉；
[0049]球料比为10:1,球磨介质为不锈钢球,大球直径为1mm,小球直径为5mm,大球与小球比为1:4.5。
[0050]球磨温度为22°C,球磨罐的转速为350rpm,转60min停1min,并调整转的方向，总共球磨时间为24小时。
[0051]为了验证球磨的效果，在实验条件下选用南京南大仪器厂生产的QM-1SP4行星式球磨机。在50ml的不锈钢球磨罐中，根据所要磨的粉末量,球磨比为10:1,算出所需要的加入的不锈钢球的球磨介质的质量，大球与小球比为1:4.5,用电子称称取所需的球放入球磨罐里，然后将球磨罐放入真空手套箱，抽真空，充入氩气惰性气体，在真空手套箱内称取所需的粉料，并加入2%?4%的硬脂酸作为助磨剂，防止粉末在球磨的过程中粘到球磨介质和球磨罐上。经验证实施例中说明的球磨工艺能够沿用到工业化生产时使用的球磨工艺。
[0052]第三步:在压力机的操作台上，将球磨后混合粉装入模具中，在20°C、80MPa压力下保持I分钟压制成型，得到圆饼形细化剂成型体；
[0053]第四步:将圆饼形细化剂成型体在真空度为1.0X10_3Pa，烧结温度为560°C的条件下烧结45分钟，制得细化剂。由于制得的细化剂要加入到铝及铝合金的熔炼过程中，对细化剂的烧结条件相对要求较低，这有利于降低细化剂的生产成本，也使得工业化生产过程中易于操控。
[0054]实施例1制得细化剂的宏观形貌如图2A所示，细化剂的微观组织如图2B、图2C所示，图中可以看出，不仅析出了分布均匀的、有效的异质形核核心TiB2和TiAl3两相，还形成了可以净化铝熔体的冰晶石(K3AlF6)组织。细化剂的X衍射分析如图2D所示，进一步证实了 TiB2、TiAl3 和 K3AlF6 的存在。
[0055]( 二)细化剂检验
[0056]采用中华人民共和国有色金属行业标准YS/T 447.1-2001对实施例1制得的细化剂的晶粒细化能力进行检验。
[0057]按照YS/T 447.1-2001行业标准中的附录A的条件，在牌号为A199.70的纯铝在熔炼过程中加入0.2%的细化剂。使牌号为A199.70的纯铝的平均晶粒尺寸为250微米以下，A199.70纯铝的晶粒照片如图3所示。
[0058]实施例2
[0059]采用与实施例1相同的步骤，而细化剂原料不同，将100重量份的工业纯Al粉末、12.5重量份的工业纯K2TiF6粉末和7.6重量份的KBF4的粉末混合均匀。
[0060]按照YS/T 447.1-2001行业标准中的附录A的条件，在牌号为A199.70的纯铝在熔炼过程中加入0.2%的细化剂。使牌号为A199.70的纯铝的平均晶粒尺寸为320微米以下。
[0061]实施例3
[0062]采用与实施例1相同的步骤，而烧结条件不同:在真空度为2.0X10_3Pa，烧结温度为600°C的条件下烧结120分钟。
[0063]按照YS/T 447.1-2001行业标准中的附录A的条件，在牌号为A199.70的纯铝在熔炼过程中加入0.2%的细化剂。使牌号为A199.70的纯铝的平均晶粒尺寸为300微米以下。
[0064]实施例4
[0065](一 )制细化剂
[0066]第一步:将100重量份的工业纯Al粉末、11.8重量份的工业纯K2TiF6粉末和8重量份的KBF4的粉末混合均匀，得到混合粉；
[0067]所有粉末的平均粒度为小于300目。
[0068]第二步:将混合粉加入球磨罐中，进行球磨，得到球磨混合粉；
[0069]选用南京南大仪器厂生产的QM-1SP4行星式球磨机。球磨温度为28°C，球磨罐的转速为300rpm，转60min停lOmin，并调整转的方向，总共球磨时间为36小时。
[0070]球料比为10:1.5，球磨介质为不锈钢球，大球与小球比为1:3.5，大球直径为1mm,小球直径为5mm。
[0071]在本发明中，在50ml的不锈钢球磨罐中，根据所要磨的粉末量，球料比为10:1.5，算出所需要的加入的不锈钢球的球磨介质的质量，大球与小球比为1:3.5，用电子称称取所需的球放入球磨罐里，然后将球磨罐放入真空手套箱，抽真空，充入氩气惰性气体，在真空手套箱内称取所需的粉料，并加入2%?4%的硬脂酸作为助磨剂，防止粉末在球磨的过程中粘到球磨介质和球磨罐上。
[0072]第三步:将球磨混合粉装入模具中，在30°C、50MPa压力下压制成型；
[0073]第四步:在600°C、真空度为1.5X 10?条件下进行烧结60分钟，制得细化剂。
[0074]( 二)细化剂检验
[0075]采用中华人民共和国有色金属行业标准YS/T 447.1-2001对实施例2制得的细化剂的晶粒细化能力进行检验。
[0076]按照YS/T 447.1-2001行业标准中的附录A的条件，使Al_7% S1-0.4% Mg合金平均晶粒尺寸为280微米以下，Al-7% S1-0.4% Mg合金的晶粒照片如图4所示。
[0077]实施例5
[0078]采用与实施例2相同的步骤，而烧结条件不同:在真空度为2.0X10_3Pa，烧结温度为550°C的条件下烧结150分钟。
[0079]按照YS/T 447.1-2001行业标准中的附录A的条件，使Al_7% S1-0.4% Mg合金平均晶粒尺寸为300微米以下。
[0080]实施例6
[0081]采用与实施例2相同的步骤,而球磨条件不同:球料比为10:1,球磨介质为不锈钢球，大球直径为10mm，小球直径为5mm，大球与小球比为1:4.5 ;球磨温度为22°C，球磨罐的转速为350rpm，转60min停lOmin，并调整转的方向，总共球磨时间为24小时；烧结条件不同:在真空度为2.0X10_3Pa，烧结温度为550°C的条件下烧结150分钟。
[0082]按照YS/T 447.1-2001行业标准中的附录A的条件，使Al_7% S1-0.4% Mg合金平均晶粒尺寸为300微米以下。
【权利要求】
1.一种用于铝及铝合金的球磨-压制-烧结工业化制细化剂的方法，其特征在于包括有下列步骤: 第一步:原料配制 将工业纯铝(Al)粉末、工业纯氟钛酸钾(K2TiF6)粉末和氟硼酸钾(KBF4)粉末按照一定质量比例混合，制成混合原料； 用量:100重量份的Al粉末中加入11.0?13.0的工业纯K2TiF6粉末、7.0?9.0的KBF4粉末； 第二步:球磨混合 将混合原料加入球磨容器中，选好球料比、装球容积比和球磨介质；然后设置球磨温度、转速、时间，在氩气气氛中进行球磨，得到球磨后混合粉； 所述球磨容器为不锈钢球磨罐； 所述球磨介质为不锈钢球，大球直径为1mm,小球直径为5mm。大球与小球之比(个数)为1:3?8 ; 所述球料比(重量份)为10:0.5?1.5 ; 球磨条件:球磨温度为15°C?35°C,球磨容器的转速为300?350rpm,转60min停lOmin，并调整转的方向，总共球磨时间为20?40小时； 第三步:压制 将球磨后混合粉装入模具中，在15°C?35°C、50MPa?10MPa压力下压制成型，得到细化剂成型体； 第四步:烧结 将细化剂成型体在真空度为1.0X 10_3Pa?3.0X 10_3Pa，烧结温度为550°C?600°C的条件下进行烧结30?150分钟，制得细化剂。
2.根据权利要求1所述的用于铝及铝合金的球磨-压制-烧结工业化制细化剂的方法，其特征在于:制得的细化剂中存在有异质形核核心TiB2和TiAl3两相，以及净化铝熔体的冰晶石(K3AlF6)组织。
3.根据权利要求1所述的用于铝及铝合金的球磨-压制-烧结工业化制细化剂的方法，其特征在于:制得的细化剂加入到纯铝中，使得纯铝的平均晶粒尺寸为250微米以下。
4.根据权利要求1所述的用于铝及铝合金的球磨-压制-烧结工业化制细化剂的方法，其特征在于:制得的细化剂加入到铝合金中，使得铝合金的平均晶粒尺寸为280微米以下。
【文档编号】C22C21/00GK104404285SQ201410643563
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月6日 优先权日:2014年11月6日
【发明者】马朝利, 徐聪, 王雪姣, 王文红, 赵卫涛 申请人:北京航空航天大学, 河北四通新型金属材料股份有限公司